多排数翅片管换热器空气性能的模拟与分析论文_王文文

摘要 本文利用Fluent软件模拟了多排数翅片管换热器的空气性能，该数学模型的建立，采用标准k-ε湍流模型。对空气的温度、速度及压力的变化进行了分析。通过对多排数换热器的研究，分析不同的结构对其换热效果有所不同。得出换热器的换热效果最好的一个最佳的管排数，使得换热器的换热效率能达到最大。

关键词 换热器 数值模拟 空气性能

Simulation and Analysis of Air Performance of Multi-row Finned-Tube Heat Exchanger

Wenwen Wang

NEW Exa（Xi an）Design Engineering Co.，Ltd

Xi an，China

wenwensby@126.com

Abstract In this paper，simulates the air performance of multi-row finned-tube heat exchanger by Fluent.The mathematics model is established，using standard k-ε turbulence model.The temperature，velocity and pressure changes of air are analyzed.By research the multi-row finned-tube heat exchanger，analyzed the different structures have different effects on the efficiency of heat transfer，obtained the most appropriate number of tube rows，making the heat exchanger for maximum heat transfer efficiency.

Keywords Heat exchanger，numerical simulation，Air Performance

1 引言

管翅式换热器常常用于制冷、空调行业中有空气或其他液体介质存在时，根据实际情况，翅片结构也有不同。在某些特定的场合，通常要用到多排管翅片，采用实验的方法，设备复杂而且成本往往较高，因而采用数值计算来模拟流动和换热情况越来越受到重视[2，3]。在本文中给出管排数分别为12，16，20的多排空气冷却器的温度、速度及压力的变化。通过对多排数换热器的研究，分析不同的结构对其换热效果有所不同。得出换热器的换热效果最好的一个最佳的管排数。

2 物理问题及计算模型

由于建立整个换热器模型比较困难，在Gambit[4]中划分网格时会出现网格数量过大导致计算机无法运行。本文根据换热器结构的对称性和周期性，取换热器核心部件的一部分来进行数值模拟。这样即抓住了研究的重点对象，又可以相对快捷的完成模拟计算。

2.1模型

在本文中，翅片管换热器的结构基本相似，但管排数分别为12排、16排和20排，传热管直径为16mm。传热管的排列式如图1所示。

动量方程

图4管排数为20排下的温度分布图

3.1.2 速度场

管排数分别为12排，16排和20排的速度场如下图所示，

图10 管排数为20排下的压力分布图

3.2 结果分析与讨论

从图2、图3及图4中可以看出，在空气进口温度与速度相同情况下，空气通道的温度基本没变化，但是在管壁处有很明显的变化，管壁处的温度最大，在远离管壁周围温度逐渐减小，但是变化范围很小。但在管排数不同的情况下，这种变化趋势基本没变，在管壁周围的温度没有因为管排数的不同而发生太大的变化，说明了管排数的不同对翅片管空气冷却器的温度场不会有很明显的影响。

如图5、图6与图7所示为在其他参数不变，管排数不同的情况下的速度场分布图，图5所示为管排数在12排时的速度分布，从图中可以看出，由于管壁的温度比空气来流温度要高，因为气流的原因，故空气通道的速度会有所变化，从进口处到出口处的速度变化很明显，速度逐渐增大，在管壁周围的速度很小，中间的速度均高于两侧，速度最高可达7.03m/s。

管排数为16排的空气冷却器的速度场分布如图6所示，从图中得出，变化趋势与管排数在12排时的基本相同，只是速度最高处有7.27m/s。

在图7中可以看出，当管排数为20时，空气通道的速度梯度变化在空气进口段很大，空气流经几排管之后，中间的速度基本保持一致，都处于速度最大，可达6.76m/s，两侧的速度基本相同，在管壁处的速度很小，变化趋势与前两者基本相同。

图8、图9及图10为在其他参数不变，管排数不同的情况下的压力分布图，图8为管排数在12排时的空气冷却器的压力分布，如图所示，空气进口处的压力最大，在第一排管壁处达到最高压力，到出口处逐渐降低，相对应的在最后一排管壁处达到最低压力。图9中即管排数为16的压力分布图，变化趋势与管排数在12排时的基本一致，只是压力最大值与最小值不同。图10为管排数为20排的压力分布，其变化趋势与管排数在12排及16排时的一致，但压力数值变化范围有所不同。

4 结论

本文对多排数翅片管换热器的空气性能进行了模拟与分析，给出了多排数翅片管换热器的管排数在12、16与20排时气流温度、速度与压力的变化。通过研究多排数翅片管换热器的管排数，分析得出不同结构对其换热效果不同。

进口空气速度及温度相同，管排数不同时，对换热器进行数值计算，以得出换热器的空气温度、速度与压力分布。

在管排数不同的情况下，温度的变化没有很明显的变化。速度变化不同，速度随着顺风方向逐渐减小。管排数从12排增至16排时，随着管排数的增加速度增大，而在16排增至20排时，速度减小。压力的变化与速度的变化趋势大致一样，在12排增至16排，压力增大，相反，16排增至20排，压力减小，但是压力随着顺风方向逐渐降低。

通过本文的研究，可以得出管排数的不同对其管壁周围温度的影响不是很大，但对其空气通道的速度有很大的影响。这样可以加快换热速度，从而提高换热效率，但空气阻力增大。应选取最佳的管排数，使得换热器的换热效率达到最大。

参考文献

[1]陶文铨.数值传热学[M]第2版.西安：西安交通大学出版社，2001

[2]柳飞.何国庚.多排数翅片管空冷器风阻特性的数值模拟[J].制冷与空调，2004，4（4）

[3]沈佳敏，卢志明，朱成辉.空气冷却器开缝翅片传热与流动特性的数值模拟研究[J].轻工机械，2010，28（5）：28-31

[4]韩占忠，王敬，兰小平.Fluent-流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2007

[5]孔珑.流体力学[M].北京：高等教育出版社，2003

[6]贾力，方肇洪，钱兴华.高等传热学[M].北京：高等教育出版社，2006

[7]孙德兴.高等传热学-导热与对流的数理分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

论文作者:王文文

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年20期

论文发表时间:2020/1/9

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